中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心供圖
"> 圖片均為介觀腦圖譜系列成果示意圖。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心供圖
網友：我看到一則新聞，有10項介觀腦圖譜研究成果在《細胞》《神經元》等期刊發(fā)布。“介觀腦圖譜”，聽起來與我們的大腦有關，又充滿科技感！我想知道，介觀腦圖譜是什么？又有什么用？
編輯：您關注到的，是由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心發(fā)起的“全腦介觀神經聯(lián)接圖譜”大科學計劃的研究成果。據介紹，國內外300多位科學家利用我國自主研發(fā)的高精度光學腦成像等技術，歷時5年繪制出多張介觀腦圖譜，覆蓋了爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，相當于為大腦繪制了前所未有的“星系分布圖”。
本期我們邀請中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心高級研究員孫衍剛，沿著“大腦地圖”，帶我們“走入”大腦深處，探索一個值得期待的未來。
繪制腦圖譜，為大腦研究提供支撐
很多讀者好奇，什么是介觀腦圖譜？介觀腦圖譜介于宏觀和微觀之間，以單個神經元細胞的分辨率尺度，繪制神經元細胞、神經元網絡、腦區(qū)和腦功能區(qū)等大腦的組成部分。
人腦有近千億個神經元，每個神經元又與上千個神經元相連，就像擁有無數星系的宇宙。探秘“大腦宇宙”，想要精確定位神經元、解析它們之間如何連接與傳遞信息，就需要一張高精度的腦圖譜來“導航”。
以研究帕金森病為例，病因是大腦里的多巴胺神經元細胞凋亡，目前相對前沿的治療對策是補充多巴胺神經元細胞。但是這些細胞的凋亡，除了自身問題，還可能和其生長的“土壤”有關。如果只補充細胞，“土壤”問題沒有得到解決，新的細胞還是長不好。因此，我們不僅要研究細胞本身，還要研究它所處的周邊環(huán)境。
在介觀腦圖譜的“導航”下，科研人員可以更好地解析神經元細胞及其周邊環(huán)境，破解感知、運動、學習、記憶和決策等重要腦功能的運作密碼。
自19世紀末西班牙科學家拉蒙·卡哈爾創(chuàng)立神經元學，繪制完整的人腦圖譜就成為生命科學的重要目標。100多年來，科學家從有302個神經元細胞的線蟲開始，陸續(xù)繪制果蠅、斑馬魚、小鼠等小型物種的腦圖譜，如同攀登腦科學界的珠穆朗瑪峰，由易到難、由簡單到復雜，為大腦研究提供了重要支撐。
各物種的大腦千差萬別，復雜程度各不相同。“全腦介觀神經聯(lián)接圖譜”大科學計劃的介觀腦圖譜研究成果覆蓋了爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，為大腦繪制了前所未有的“星系分布圖”。
對抗“記憶竊賊”，大腦GPS展身手
此次發(fā)布的系列成果中，最大的突破在于技術體系的創(chuàng)新。實踐證明，我國自主研發(fā)的光學成像技術在靈長類動物介觀腦圖譜的繪制工作上高效、可靠。發(fā)布的成果中，華大生命科學研究院自主研發(fā)的單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，能同時獲取細胞的空間位置和基因表達信息，相當于給每個神經元都裝上了GPS、配發(fā)了“身份證”。
以被稱為“記憶竊賊”的阿爾茨海默病為例，過去，科研人員只知道阿爾茨海默病與細胞外β—淀粉樣蛋白沉積形成老年斑有關，但無法識別這種蛋白在微環(huán)境中所有不同類型細胞。此次研究中，科研人員通過單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，對海馬體腦區(qū)進行了精細劃分，發(fā)現病理性小膠質細胞和星形膠質細胞在海馬傘區(qū)域高度富集，就像某個街區(qū)突然聚集了大量異常活動的人一樣。科研人員首次繪制了正常人和阿爾茨海默病患者海馬體腦區(qū)的單細胞分辨率空間轉錄圖譜，不僅識別了特定區(qū)域受損的神經元細胞，還篩選出細胞特異性和腦區(qū)特異性的靶標，為阿爾茨海默病早期診斷及鑒別診斷提供了新標志物，這有可能改變我們對抗這種“記憶竊賊”的方式。
腦出血是一種死亡率、致殘率較高的腦血管急癥，其病理損傷機制復雜，腦組織微環(huán)境時空動態(tài)演變過程尚未明確。此次研究同樣利用單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，首次描繪出小鼠腦出血后從超急性期到恢復期的空間轉錄組圖譜，系統(tǒng)解析腦組織損傷與修復過程，以及膠質細胞等多種細胞在其中的關鍵作用，闡明了腦出血并非單純的局部病變，更引發(fā)全腦反應。該圖譜的繪制為深入理解腦出血的動態(tài)病理過程提供了重要資源，并為靶向干預和個體化治療策略奠定了基礎。
未來的“大腦地圖”還可以做什么
繪制介觀腦圖譜，難度很大。
首先是取樣困難，醫(yī)學影像無法“看清”神經元細胞，只能靠解剖切片獲取時效有限的靜態(tài)信息，無法獲取腦部清晰的動態(tài)圖以及觀察腦部動態(tài)特性的變化規(guī)律；其次，受限于數據處理，介觀腦圖譜的分辨率通常為數百納米，僅一個獼猴大腦的數據量就可達500TB（太字節(jié)）的超大量級。如果將分辨率進一步提高至幾十納米，那么獼猴大腦圖譜數據量將達到數十PB（千萬億字節(jié)），足以超過一個普通數據中心的數據存儲量。人腦的神經元數量是獼猴腦的十幾倍，其數據量之龐大、所需算力之巨大，更是難以估量。
目前，我國“全腦介觀神經聯(lián)接圖譜”大科學計劃的研究，已從小型動物推進到非人靈長類，正穩(wěn)步向繪制人腦介觀圖譜的終極目標邁進。“大腦地圖”的價值不只在學術研究領域。想象一下，腦疾病可以像天氣預報一樣提前預警，人工智能可以像人腦一樣思考，癱瘓患者可以通過腦機接口重新行走——這些都可能因腦圖譜的研究而成為現實。
同時，我國也在發(fā)起籌建“國際靈長類介觀腦圖譜研究聯(lián)盟”，構建面向全球開放共享的“腦圖譜數據庫”，為理解人類大腦奧秘提供關鍵基礎。
隨著同步輻射X射線神經示蹤技術、AI算法等新工具的應用，微觀尺度的“大腦地圖”或許不再遙遠，可能為理解意識、開發(fā)類腦智能帶來改變，為治療腦疾病帶來革命性的突破。站在神經科學的新起點，介觀腦圖譜正幫助我們進入“大腦導航”的時代。從基礎研究到臨床應用，這張高精度的“大腦地圖”將持續(xù)為人類健康與科技發(fā)展提供關鍵指引。
（作者為中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心高級研究員，本報記者黃曉慧采訪整理）
《 人民日報 》（ 2025年07月26日 06 版）